Capteurs analogiques 4-20 mA et 0-10 V : raccordement, conversion et modules d'entrées

Capteurs de pression, de niveau, de débit, de luminosité, de CO2, de température de fumées : une grande partie des transmetteurs industriels et de bâtiment délivrent un signal analogique, le plus souvent en 4-20 mA ou en 0-10 V. Ces signaux sont simples, universels et indépendants de tout protocole. Encore faut-il les raccorder correctement, les convertir en valeurs physiques et les faire remonter jusqu'à la GTB ou la supervision.

Ce guide explique les différences entre les deux signaux, le câblage, la mise à l'échelle, les solutions de conversion et les modules d'entrées filaires ou sans fil disponibles.

4-20 mA et 0-10 V : deux façons de transmettre une mesure

La boucle de courant 4-20 mA

Le transmetteur règle le courant qui circule dans la boucle : 4 mA pour le bas de l'échelle, 20 mA pour le haut. Le courant étant le même en tout point d'une boucle série, la mesure ne dépend pas de la résistance des câbles, dans la limite de la tension d'alimentation disponible. Le « zéro décalé » à 4 mA a un autre avantage : un courant nul ou très faible signale une rupture de câble ou un transmetteur hors service, et non une mesure à zéro.

Le signal en tension 0-10 V

Le transmetteur délivre une tension proportionnelle à la mesure. Le câblage est simple et le signal se lit directement sur la plupart des automates et régulateurs de bâtiment. En revanche, la chute de tension dans les câbles et les perturbations électromagnétiques faussent la mesure sur les longues distances, et une mesure à 0 V ne se distingue pas d'un fil coupé.

Critère	4-20 mA	0-10 V
Grandeur transmise	Courant	Tension
Sensibilité à la longueur de câble	Faible	Plus forte
Détection de rupture	Oui, courant inférieur à 4 mA	Non, 0 V reste une valeur valide
Immunité aux parasites	Bonne	Moindre
Usage typique	Industrie, chaufferies, longues distances	CVC, régulation de bâtiment, courtes distances
Alimentation du capteur	Souvent par la boucle (2 fils)	Alimentation séparée (3 ou 4 fils)

Le câblage

Capteur 4-20 mA deux fils

C'est le cas le plus courant. Le transmetteur est alimenté par la boucle elle-même : une source de tension continue, souvent 24 V, le transmetteur et l'entrée de mesure sont montés en série. Le module d'entrée peut fournir cette alimentation (entrée « active ») ou non (entrée « passive », il faut alors une alimentation externe). C'est le premier point à vérifier.

Capteur trois ou quatre fils

Le capteur reçoit une alimentation séparée et délivre son signal sur un fil distinct, avec une référence commune (trois fils) ou isolée (quatre fils). C'est le montage habituel des capteurs 0-10 V et de certains transmetteurs 4-20 mA plus gourmands.

Les bonnes pratiques

• Câble blindé à paires torsadées, blindage relié à la terre d'un seul côté.
• Séparation des câbles de signal et des câbles de puissance.
• Respect de la charge maximale admise par le transmetteur 4-20 mA, indiquée dans sa notice.
• Repérage de chaque voie, avec la plage de mesure du capteur, dans la liste de points.

La mise à l'échelle

Le module d'entrée mesure un courant ou une tension ; c'est la mise à l'échelle qui le transforme en grandeur physique. Pour un signal 4-20 mA :

Valeur = Minimum + (I - 4) / 16 x (Maximum - Minimum)

Exemple : un capteur de luminosité de 0 à 2 000 lux en 4-20 mA qui délivre 12 mA mesure 0 + (12 - 4) / 16 x 2 000 = 1 000 lux. Pour un 0-10 V, la formule devient Valeur = Minimum + U / 10 x (Maximum - Minimum).

La plupart des modules et des plateformes permettent de saisir directement ces bornes. Une erreur fréquente consiste à oublier de déclarer la plage réelle du transmetteur, qui peut différer de la plage maximale indiquée sur sa fiche.

Convertir un 4-20 mA en 0-10 V, ou l'inverse

Un régulateur qui n'accepte que du 0-10 V, un capteur qui ne délivre que du 4-20 mA : la question revient souvent.

• La résistance de charge : une résistance de 500 ohms traversée par 4 à 20 mA donne une tension de 2 à 10 V. Ce n'est donc pas un vrai 0-10 V : le régulateur doit accepter un décalage à 2 V, ou la mise à l'échelle doit en tenir compte. Une résistance de 250 ohms donne 1 à 5 V. La précision dépend de la tolérance de la résistance.
• Le convertisseur de signal isolé : il transforme proprement un signal en un autre, avec isolation galvanique. C'est la solution à retenir quand les masses sont différentes ou quand la précision compte. Ce type de convertisseur n'est pas au catalogue à ce jour : nous pouvons l'étudier sur demande de devis.
• Le module d'entrée universel : le plus simple est souvent de choisir un module qui accepte directement les deux signaux, ce qui supprime la conversion.

À l'inverse, pour piloter une vanne ou un registre en 0-10 V ou en 4-20 mA depuis le réseau, un module de sorties analogiques comme le ControlByWEB X-417 génère ces signaux à partir de commandes Modbus TCP, avec une isolation galvanique de 1 500 V AC.

Les modules d'entrées filaires

Ils conviennent aux armoires de chaufferie, de sous-station ou de traitement d'air, quand un réseau Ethernet ou un bus RS-485 est disponible.

Modèle	Entrées analogiques	Communication	À noter
ControlByWEB X-418	8 entrées 16 bits, 4-20 mA sur les entrées 1 à 4	Modbus TCP, SNMP, MQTT	Shunt interne de 200 ohms, PoE
ControlByWEB X-22s	8 entrées 16 bits, tension ou 4-20 mA	Extension des contrôleurs X-400 et X-600M	Sortie de référence 5 V
MBS Modbus IO Module	AI24 : 16 PT1000 et 8 voies 0-10 V	Modbus RTU sur RS-485	Existe en BACnet MS/TP
Red Lion E3 I/O	Versions 4-20 mA, 0-10 V, RTD, thermocouple	Modbus TCP, Modbus RTU	Deux ports Ethernet en anneau
Milesight EG71	8 entrées universelles 0-10 V, 4-20 mA, PT1000, NTC	BACnet/IP, Modbus TCP, MQTT	Passerelle LoRaWAN et bus intégrés

Pour les boîtiers de supervision déjà en place, il existe aussi des convertisseurs dédiés : l'AKCP VC raccorde un transmetteur 4-20 mA à un port capteur d'un boîtier AKCP, et le HWgroup Sensor 4-20mA 1W-UNI l'intègre au bus 1-Wire des boîtiers HWgroup. Voir la catégorie modules E/S Ethernet et Modbus et la gamme ControlByWEB X-400 et X-600M.

Les interfaces sans fil

Quand le transmetteur est éloigné de toute armoire ou de tout réseau, une interface radio sur pile évite le câblage.

Modèle	Entrées	Réseau	Alimentation du capteur
DNIL LSi210	2 voies 4-20 mA, 0-10 V ou TOR	LoRaWAN	24 V (100 mA) ou 12 V (200 mA) pendant la mesure
Enless TX 4/20	1 entrée 4-20 mA	LoRaWAN ou LoRa Easy Enless	Possible si la sonde accepte moins de 3 V
Dragino PS-NA	1 entrée 0-20 mA, 1 entrée 0-30 V	LoRaWAN, NB-IoT, LTE-M ou Cat 1 selon la référence	Sorties 5 V et 12 V pilotées
Milesight UC300	2 x 4-20 mA, 2 x 0-10 V, 2 PT100	LoRaWAN ou 4G	Module alimenté en 5 à 24 V DC ou USB-C
Efento NB-IoT Analogique	2 entrées 4-20 mA ou 0-10 V	NB-IoT, sans passerelle	Génération 1 : 16 V, 30 mA au maximum

Point de vigilance pour les modules sur pile : ils alimentent le capteur seulement le temps de la mesure. Le transmetteur doit donc se stabiliser rapidement après sa mise sous tension, et sa consommation doit rester compatible avec la pile. Vérifiez le temps de chauffe du capteur dans sa notice et réglez le délai d'alimentation avant mesure si le module le permet. Voir la catégorie modules E/S et interfaces LoRaWAN et notre article choisir une passerelle LoRaWAN.

Exemples d'usages en bâtiment

• Chaufferie et sous-station : pression du réseau de chauffage ou d'eau glacée, températures départ et retour, via des transmetteurs 4-20 mA déjà en place.
• Cuves et bâches : niveau de fioul, d'eau ou d'effluents par une sonde de pression ou de niveau analogique.
• Traitement d'air : pression différentielle des filtres, débit d'air, position d'un registre.
• Éclairage : capteur de luminosité 4-20 mA pour une gradation selon la lumière naturelle.
• Énergie : le capteur de courant Red Lion CTL mesure de 2 à 200 A et délivre un signal 4-20 mA ou 0-10 V selon la version, pour un départ moteur ou une pompe. Pour une approche sans fil du même besoin, voir notre article capteur de courant LoRaWAN.

Les critères de choix d'un module d'entrée

1. Le type de signal : 4-20 mA, 0-10 V, ou les deux sur la même voie.
2. L'alimentation du capteur : fournie par le module, ou externe.
3. La résolution : 12 bits suffisent pour la plupart des mesures de bâtiment ; 16 bits apportent de la finesse sur les petites variations.
4. L'isolation quand les masses des équipements diffèrent.
5. Le nombre de voies, avec une réserve pour les évolutions.
6. Le protocole de remontée : Modbus, BACnet, MQTT, LoRaWAN, NB-IoT.
7. L'environnement : armoire, extérieur, indice de protection.

Pour combiner ces entrées analogiques avec des compteurs M-Bus ou une installation KNX dans un même équipement, voir notre article boîtier GTB multi-protocoles.

Questions fréquentes

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